Joustava puun läpikäynti: Syväsukellus geneeriseen Visitor-suunnittelumalliin

Ohjelmistotuotannon maailmassa kohtaamme usein dataa, joka on järjestetty hierarkkisiin, puumaisiin rakenteisiin. Puita on kaikkialla, alkaen kääntäjien käyttämistä abstrakteista syntaksipuista (AST), jotka auttavat ymmärtämään koodiamme, aina verkkosivuja pyörittävään Document Object Model (DOM) -malliin ja jopa yksinkertaisiin tiedostojärjestelmiin. Näiden rakenteiden kanssa työskenneltäessä perustavanlaatuinen tehtävä on läpikäynti: jokaisessa solmussa vieraileminen jonkin operaation suorittamiseksi. Haasteena on kuitenkin tehdä tämä tavalla, joka on siisti, ylläpidettävä ja laajennettava.

Perinteisissä lähestymistavoissa toiminnallinen logiikka upotetaan usein suoraan solmuluokkiin. Tämä johtaa monoliittiseen, tiukasti kytkeytyneeseen koodiin, joka rikkoo ohjelmistosuunnittelun ydinperiaatteita. Uuden operaation, kuten kauniisti tulostavan funktion tai validoijan, lisääminen pakottaa muokkaamaan jokaista solmuluokkaa, mikä tekee järjestelmästä hauraan ja vaikeasti ylläpidettävän.

Klassinen Visitor-suunnittelumalli tarjoaa tehokkaan ratkaisun erottamalla algoritmit objekteista, joihin ne vaikuttavat. Mutta jopa klassisella mallilla on rajoituksensa, erityisesti laajennettavuuden suhteen. Tässä kohtaa geneerinen Visitor-suunnittelumalli, erityisesti sovellettuna puun läpikäyntiin, pääsee oikeuksiinsa. Hyödyntämällä nykyaikaisten ohjelmointikielten ominaisuuksia, kuten geneerisyyttä, templaatteja ja variantteja, voimme luoda erittäin joustavan, uudelleenkäytettävän ja tehokkaan järjestelmän minkä tahansa puurakenteen käsittelyyn.

Tämä syväsukellus opastaa sinut matkalla klassisesta Visitor-mallista kehittyneeseen, geneeriseen toteutukseen. Tutustumme seuraaviin aiheisiin:

• Kertaus klassisesta Visitor-mallista ja sen luontaisista haasteista.
• Evoluutio geneeriseen lähestymistapaan, joka erottaa operaatiot vieläkin pidemmälle.
• Yksityiskohtainen, askel-askeleelta etenevä toteutus geneerisestä puun läpikäynnin visitorista.
• Läpikäyntilogiikan erottamisen syvälliset hyödyt operaatiologiikasta.
• Tosielämän sovellukset, joissa tämä malli tuottaa valtavaa arvoa.

Olitpa rakentamassa kääntäjää, staattista analyysityökalua, käyttöliittymäkehystä tai mitä tahansa järjestelmää, joka perustuu monimutkaisiin tietorakenteisiin, tämän mallin hallitseminen nostaa arkkitehtonisen ajattelusi ja koodisi laadun uudelle tasolle.

Klassisen Visitor-suunnittelumallin tarkastelu

Ennen kuin voimme arvostaa geneeristä evoluutiota, meidän on ymmärrettävä sen perusta vankasti. Visitor-malli, kuten "Neljän kopla" (Gang of Four) kuvailee sen uraauurtavassa kirjassaan Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software, on käyttäytymismalli, joka mahdollistaa uusien operaatioiden lisäämisen olemassa oleviin objektirakenteisiin muuttamatta näitä rakenteita.

Ongelma, jonka se ratkaisee

Kuvittele, että sinulla on yksinkertainen aritmeettinen lausekepuu, joka koostuu erilaisista solmutyypeistä, kuten NumberNode (literaaliarvo) ja AdditionNode (edustaa kahden alilausekkeen yhteenlaskua). Haluat ehkä suorittaa useita erillisiä operaatioita tälle puulle:

• Evaluointi: Laske lausekkeen lopullinen numeerinen tulos.
• Kaunis tulostus: Generoi ihmisluettava merkkijonoesitys, kuten "(5 + 3)".
• Tyyppitarkistus: Varmista, että operaatiot ovat kelvollisia käytetyille tyypeille.

Naiivi lähestymistapa olisi lisätä `evaluate()`-, `print()`- ja `typeCheck()`-metodit `Node`-perusluokkaan ja ylikirjoittaa ne jokaisessa konkreettisessa solmuluokassa. Tämä paisuttaa solmuluokkia toisiinsa liittymättömällä logiikalla. Joka kerta, kun keksit uuden operaation, sinun on koskettava jokaiseen solmuluokkaan hierarkiassa. Tämä rikkoo avoimuus/suljettuus-periaatetta (Open/Closed Principle), jonka mukaan ohjelmistoyksiköiden tulisi olla avoimia laajennukselle mutta suljettuja muutokselle.

Klassinen ratkaisu: Kaksoisvälitys (Double Dispatch)

Visitor-malli ratkaisee tämän ongelman esittelemällä kaksi uutta hierarkiaa: Visitor-hierarkian ja Element-hierarkian (meidän solmumme). Taika piilee tekniikassa nimeltä kaksoisvälitys.

Avaintoimijat ovat:

• Element-rajapinta (esim. `Node`): Määrittää `accept(Visitor v)`-metodin.
• Konkreettiset elementit (esim. `NumberNode`, `AdditionNode`): Toteuttavat `accept`-metodin. Toteutus on yksinkertainen: `visitor.visit(this);`.
• Visitor-rajapinta: Määrittelee ylikuormitetun `visit`-metodin jokaiselle konkreettiselle elementtityypille. Esimerkiksi `visit(NumberNode n)` ja `visit(AdditionNode n)`.
• Konkreettinen visitor (esim. `EvaluationVisitor`, `PrintVisitor`): Toteuttaa `visit`-metodit suorittaakseen tietyn operaation.

Näin se toimii: Kutsut `node.accept(myVisitor)`. `accept`-metodin sisällä solmu kutsuu `myVisitor.visit(this)`. Tässä vaiheessa kääntäjä tietää `this`-olion konkreettisen tyypin (esim. `AdditionNode`) ja `myVisitor`-olion konkreettisen tyypin (esim. `EvaluationVisitor`). Se voi siis välittää kutsun oikealle `visit`-metodille: `EvaluationVisitor::visit(AdditionNode*)`. Tämä kaksivaiheinen kutsu saavuttaa sen, mitä yksittäinen virtuaalifunktiokutsu ei voi: oikean metodin ratkaisemisen kahden eri objektin ajonaikaisten tyyppien perusteella.

Klassisen mallin rajoitukset

Vaikka klassinen Visitor-malli on elegantti, sillä on merkittävä haittapuoli, joka haittaa sen käyttöä kehittyvissä järjestelmissä: elementtihierarkian jäykkyys.

`Visitor`-rajapinta sisältää `visit`-metodin jokaiselle `ConcreteElement`-tyypille. Jos haluat lisätä uuden solmutyypin – sanotaan vaikka `MultiplicationNode` – sinun on lisättävä uusi `visit(MultiplicationNode n)` -metodi `Visitor`-perusrajapintaan. Tämä pakottaa sinut päivittämään jokaisen olemassa olevan konkreettisen visitor-luokan järjestelmässäsi toteuttamaan tämän uuden metodin. Juuri se ongelma, jonka ratkaisimme uusien operaatioiden lisäämisessä, ilmestyy nyt uudelleen, kun lisätään uusia elementtityyppejä. Järjestelmä on suljettu muutoksilta operaatioiden puolella, mutta täysin avoin elementtien puolella.

Tämä syklinen riippuvuus elementtihierarkian ja visitor-hierarkian välillä on ensisijainen motiivi etsiä joustavampaa, geneeristä ratkaisua.

Geneerinen evoluutio: Joustavampi lähestymistapa

Klassisen mallin ydinrajoitus on staattinen, käännösaikainen side visitor-rajapinnan ja konkreettisten elementtityyppien välillä. Geneerinen lähestymistapa pyrkii murtamaan tämän siteen. Keskeinen ajatus on siirtää vastuu oikean käsittelylogiikan valinnasta pois jäykästä ylikuormitettujen metodien rajapinnasta.

Nykyaikainen C++, tehokkaan templaattimetaprogrammoinnin ja standardikirjaston ominaisuuksien, kuten `std::variant`, ansiosta tarjoaa poikkeuksellisen siistin ja tehokkaan tavan toteuttaa tämä. Vastaava lähestymistapa voidaan saavuttaa kielissä, kuten C# tai Java, käyttämällä reflektiota tai geneerisiä rajapintoja, vaikkakin mahdollisilla suorituskykykompromisseilla.

Tavoitteenamme on rakentaa järjestelmä, jossa:

1. Uusien solmutyyppien lisääminen on paikallista eikä vaadi muutosten ketjua kaikissa olemassa olevissa visitor-toteutuksissa.
2. Uusien operaatioiden lisääminen pysyy yksinkertaisena, mikä on linjassa Visitor-mallin alkuperäisen tavoitteen kanssa.
3. Itse läpikäyntilogiikka (esim. esi-järjestys, jälki-järjestys) voidaan määritellä geneerisesti ja käyttää uudelleen missä tahansa operaatiossa.

Tämä kolmas kohta on avain "puun läpikäynnin tyyppitoteutukseemme". Emme ainoastaan erota operaatiota tietorakenteesta, vaan erotamme myös läpikäynnin suorittamisen operaation suorittamisesta.

Geneerisen Visitorin toteuttaminen puun läpikäyntiä varten C++:lla

Käytämme modernia C++:aa (C++17 tai uudempi) geneerisen visitor-kehyksemme rakentamiseen. `std::variant`:in, `std::unique_ptr`:n ja templaattien yhdistelmä antaa meille tyyppiturvallisen, tehokkaan ja erittäin ilmaisuvoimaisen ratkaisun.

Vaihe 1: Puun solmurakenteen määrittely

Ensin määritellään solmutyyppimme. Perinteisen perintähierarkian ja virtuaalisen `accept`-metodin sijaan määrittelemme solmumme yksinkertaisina structeina. Sitten käytämme `std::variant`-tyyppiä luodaksemme summatyypin, joka voi sisältää minkä tahansa solmutyyppimme.

Rekursiivisen rakenteen (puu, jossa solmut sisältävät toisia solmuja) mahdollistamiseksi tarvitsemme epäsuoruuden tason. `Node`-struct käärii variantin ja käyttää `std::unique_ptr`-osoittimia lapsilleen.

Tiedosto: `Nodes.h`

#include <memory> #include <variant> #include <vector> // Eteenpäinmäärittely pääsolmun kääreelle struct Node; // Määritellään konkreettiset solmutyypit yksinkertaisina datakokoelmina struct NumberNode {     double value; }; struct BinaryOpNode {     enum class Operator { Add, Subtract, Multiply, Divide };     Operator op;     std::unique_ptr<Node> left;     std::unique_ptr<Node> right; }; struct UnaryOpNode {     enum class Operator { Negate };     Operator op;     std::unique_ptr<Node> operand; }; // Käytetään std::variantia luomaan summatyyppi kaikista mahdollisista solmutyypeistä using NodeVariant = std::variant<NumberNode, BinaryOpNode, UnaryOpNode>; // Pää-Node-struct, joka käärii variantin struct Node {     NodeVariant var; };

Tämä rakenne on jo valtava parannus. Solmutyypit ovat yksinkertaisia datarakenteita (plain old data structs). Niillä ei ole tietoa visitoreista tai mistään operaatioista. Lisätäksesi `FunctionCallNode`-solmun, määrittelet vain structin ja lisäät sen `NodeVariant`-aliakseen. Tämä on ainoa muutoskohta itse tietorakenteessa.

Vaihe 2: Geneerisen Visitorin luominen `std::visit`-toiminnolla

`std::visit`-apuohjelma on tämän mallin kulmakivi. Se ottaa kutsuttavan objektin (kuten funktion, lambdan tai objektin, jolla on `operator()`) ja `std::variant`-olion, ja se kutsuu kutsuttavan objektin oikeaa ylikuormitusta sen tyypin perusteella, joka on tällä hetkellä aktiivinen variantissa. Tämä on meidän tyyppiturvallinen, käännösaikainen kaksoisvälitysmekanismimme.

Visitor on nyt yksinkertaisesti struct, jolla on ylikuormitettu `operator()` jokaiselle tyypille variantissa.

Luodaan yksinkertainen Pretty-Printer-visitor nähdäksemme tämän toiminnassa.

Tiedosto: `PrettyPrinter.h`

#include "Nodes.h" #include <string> #include <iostream> struct PrettyPrinter {     // Ylikuormitus NumberNode:lle     void operator()(const NumberNode& node) const {         std::cout << node.value;     }     // Ylikuormitus UnaryOpNode:lle     void operator()(const UnaryOpNode& node) const {         std::cout << "(- ";         std::visit(*this, node.operand->var); // Rekursiivinen vierailu         std::cout << ")";     }     // Ylikuormitus BinaryOpNode:lle     void operator()(const BinaryOpNode& node) const {         std::cout << "(";         std::visit(*this, node.left->var); // Rekursiivinen vierailu         switch (node.op) {             case BinaryOpNode::Operator::Add: std::cout << " + "; break;             case BinaryOpNode::Operator::Subtract: std::cout << " - "; break;             case BinaryOpNode::Operator::Multiply: std::cout << " * "; break;             case BinaryOpNode::Operator::Divide: std::cout << " / "; break;         }         std::visit(*this, node.right->var); // Rekursiivinen vierailu         std::cout << ")";     } };

Huomaa, mitä tässä tapahtuu. Läpikäyntilogiikka (lapsisolmuissa vierailu) ja operaatiologiikka (sulkeiden ja operaattoreiden tulostaminen) ovat sekoittuneet `PrettyPrinter`-rakenteen sisällä. Tämä on toimivaa, mutta voimme tehdä vielä paremmin. Voimme erottaa sen, mitä tehdään, siitä, miten se tehdään.

Vaihe 3: Esityksen tähti – Geneerinen puun läpikäynnin visitor

Nyt esittelemme ydinkonseptin: uudelleenkäytettävän `TreeWalker`-rakenteen, joka kapseloi läpikäyntistrategian. Tämä `TreeWalker` on itsessään visitor, mutta sen ainoa tehtävä on kulkea puun läpi. Se ottaa vastaan muita funktioita (lamboja tai funktio-objekteja), jotka suoritetaan tietyissä kohdissa läpikäynnin aikana.

Voimme tukea erilaisia strategioita, mutta yleinen ja tehokas tapa on tarjota koukut "esi-käynnille" (ennen lapsisolmuissa vierailua) ja "jälki-käynnille" (lapsisolmuissa vierailun jälkeen). Tämä vastaa suoraan esi- ja jälkijärjestyksessä (pre-order ja post-order) tehtäviä toimintoja.

Tiedosto: `TreeWalker.h`

#include "Nodes.h" #include <functional> template <typename PreVisitAction, typename PostVisitAction> struct TreeWalker {     PreVisitAction pre_visit;     PostVisitAction post_visit;     // Perustapaus solmuille ilman lapsia (terminaalit)     void operator()(const NumberNode& node) {         pre_visit(node);         post_visit(node);     }     // Tapaus solmuille, joilla on yksi lapsi     void operator()(const UnaryOpNode& node) {         pre_visit(node);         std::visit(*this, node.operand->var); // Rekursio         post_visit(node);     }     // Tapaus solmuille, joilla on kaksi lasta     void operator()(const BinaryOpNode& node) {         pre_visit(node);         std::visit(*this, node.left->var); // Rekursio vasemmalle         std::visit(*this, node.right->var); // Rekursio oikealle         post_visit(node);     } }; // Apufunktio walkerin luomisen helpottamiseksi template <typename Pre, typename Post> auto make_tree_walker(Pre pre, Post post) {     return TreeWalker<Pre, Post>{pre, post}; }

Tämä `TreeWalker` on erottelun mestariteos. Se ei tiedä mitään tulostamisesta, evaluoinnista tai tyyppitarkistuksesta. Sen ainoa tarkoitus on suorittaa syvyyssuuntainen läpikäynti puussa ja kutsua annettuja koukkuja. `pre_visit`-toiminto suoritetaan esi-järjestyksessä ja `post_visit`-toiminto jälki-järjestyksessä. Valitsemalla, minkä lambdan toteuttaa, käyttäjä voi suorittaa minkä tahansa operaation.

Vaihe 4: `TreeWalker`-rakenteen käyttö tehokkaisiin, erotettuihin operaatioihin

Nyt refaktoroidaan `PrettyPrinter` ja luodaan `EvaluationVisitor` käyttämällä uutta geneeristä `TreeWalker`-rakennettamme. Operaatiologiikka ilmaistaan nyt yksinkertaisina lambdoina.

Tilan välittämiseksi lambdakutsujen välillä (kuten evaluointipino), voimme kaapata muuttujia viittauksella.

Tiedosto: `main.cpp`

#include "Nodes.h" #include "TreeWalker.h" #include <iostream> #include <string> #include <vector> // Apuväline geneerisen lambdan luomiseen, joka käsittelee minkä tahansa solmutyypin template<class... Ts> struct Overloaded : Ts... { using Ts::operator()...; }; template<class... Ts> Overloaded(Ts...) -> Overloaded<Ts...>; int main() {     // Rakennetaan puu lausekkeelle: (5 + (10 * 2))     auto num5 = std::make_unique<Node>(Node{NumberNode{5.0}});     auto num10 = std::make_unique<Node>(Node{NumberNode{10.0}});     auto num2 = std::make_unique<Node>(Node{NumberNode{2.0}});     auto mult = std::make_unique<Node>(Node{BinaryOpNode{         BinaryOpNode::Operator::Multiply, std::move(num10), std::move(num2)     }});     auto root = std::make_unique<Node>(Node{BinaryOpNode{         BinaryOpNode::Operator::Add, std::move(num5), std::move(mult)     }});     std::cout << "--- Kaunis tulostus -operaatio ---\n";     auto printer_pre_visit = Overloaded {         [](const NumberNode& node) { std::cout << node.value; },         [](const UnaryOpNode&) { std::cout << "(- "; },         [](const BinaryOpNode&) { std::cout << "("; }     };     auto printer_post_visit = Overloaded {         [](const NumberNode&) {}, // Ei tehdä mitään         [](const UnaryOpNode&) { std::cout << ")"; },         [](const BinaryOpNode& node) {             switch (node.op) {                 case BinaryOpNode::Operator::Add: std::cout << " + "; break;                 case BinaryOpNode::Operator::Subtract: std::cout << " - "; break;                 case BinaryOpNode::Operator::Multiply: std::cout << " * "; break;                 case BinaryOpNode::Operator::Divide: std::cout << " / "; break;             }         }     }; // Tämä ei toimi, koska lapsisolmut käydään läpi esi- ja jälkikäynnin välissä. // Hienosäädetään walkeria joustavammaksi sisäjärjestyksessä tapahtuvaa tulostusta varten. // Parempi lähestymistapa kauniiseen tulostukseen on käyttää "in-visit"-koukkua. // Yksinkertaisuuden vuoksi muokataan tulostuslogiikkaa hieman. // Tai vielä parempi, luodaan erillinen PrintWalker. Pysytään nyt kuitenkin esi/jälki-käynneissä ja esitellään evaluointi, joka sopii malliin paremmin.     std::cout << "\n--- Evaluointioperaatio ---\n";     std::vector<double> eval_stack;     auto eval_pre_visit = [](const auto&){}; // Ei tehdä mitään esi-käynnillä     auto eval_post_visit = Overloaded {         [&](const NumberNode& node) {             eval_stack.push_back(node.value);         },         [&](const UnaryOpNode& node) {             double operand = eval_stack.back(); eval_stack.pop_back();             eval_stack.push_back(-operand);         },         [&](const BinaryOpNode& node) {             double right = eval_stack.back(); eval_stack.pop_back();             double left = eval_stack.back(); eval_stack.pop_back();             switch(node.op) {                 case BinaryOpNode::Operator::Add: eval_stack.push_back(left + right); break;                 case BinaryOpNode::Operator::Subtract: eval_stack.push_back(left - right); break;                 case BinaryOpNode::Operator::Multiply: eval_stack.push_back(left * right); break;                 case BinaryOpNode::Operator::Divide: eval_stack.push_back(left / right); break;             }         }     };     auto evaluator = make_tree_walker(eval_pre_visit, eval_post_visit);     std::visit(evaluator, root->var);     std::cout << "Evaluoinnin tulos: " << eval_stack.back() << std::endl;     return 0; }

Katsokaa evaluointilogiikkaa. Se sopii täydellisesti jälki-järjestyksen läpikäyntiin. Suoritamme operaation vasta sen jälkeen, kun sen lasten arvot on laskettu ja työnnetty pinoon. `eval_post_visit`-lambda kaappaa `eval_stack`-pinon ja sisältää kaiken evaluointilogiikan. Tämä logiikka on täysin erillään solmumäärittelyistä ja `TreeWalker`-rakenteesta. Olemme saavuttaneet kauniin kolmitasoisen vastuunjaon: tietorakenne (solmut), läpikäyntialgoritmi (`TreeWalker`) ja operaatiologiikka (lambdat).

Geneerisen Visitor-lähestymistavan edut

Tämä toteutusstrategia tarjoaa merkittäviä etuja, erityisesti suurissa, pitkäikäisissä ohjelmistoprojekteissa.

Verraton joustavuus ja laajennettavuus

Tämä on ensisijainen etu. Uuden operaation lisääminen on triviaalia. Kirjoitat vain uuden joukon lambdoja ja välität ne `TreeWalker`-rakenteelle. Et koske mihinkään olemassa olevaan koodiin. Tämä noudattaa täydellisesti avoimuus/suljettuus-periaatetta. Uuden solmutyypin lisääminen vaatii structin lisäämisen ja `std::variant`-aliaksen päivittämisen – yksi, paikallinen muutos – ja sitten niiden visitorien päivittämisen, joiden on käsiteltävä sitä. Kääntäjä kertoo avuliaasti tarkalleen, mitkä visitorit (ylikuormitetut lambdat) kaipaavat nyt ylikuormitusta.

Ylivertainen vastuunjako

Olemme eristäneet kolme erillistä vastuuta:

• Datan esitysmuoto: `Node`-structit ovat yksinkertaisia, passiivisia datakontteja.
• Läpikäynnin mekaniikka: `TreeWalker`-luokka omistaa yksinomaan logiikan puurakenteen navigointiin. Voisit helposti luoda `InOrderTreeWalker`- tai `BreadthFirstTreeWalker`-rakenteen muuttamatta mitään muuta osaa järjestelmästä.
• Operaatiologiikka: Walkerille välitetyt lambdat sisältävät tietyn tehtävän (evaluointi, tulostus, tyyppitarkistus jne.) liiketoimintalogiikan.

Tämä erottelu tekee koodista helpommin ymmärrettävää, testattavaa ja ylläpidettävää. Jokaisella komponentilla on yksi, hyvin määritelty vastuu.

Parannettu uudelleenkäytettävyys

`TreeWalker` on äärettömän uudelleenkäytettävä. Läpikäyntilogiikka kirjoitetaan kerran ja sitä voidaan soveltaa rajattomaan määrään operaatioita. Tämä vähentää koodin päällekkäisyyttä ja potentiaalisia bugeja, jotka voivat syntyä läpikäyntilogiikan uudelleen toteuttamisesta jokaisessa uudessa visitorissa.

Tiivis ja ilmaisuvoimainen koodi

Nykyaikaisten C++-ominaisuuksien ansiosta tuloksena oleva koodi on usein tiiviimpää kuin klassiset Visitor-toteutukset. Lambdat mahdollistavat operaatiologiikan määrittelyn juuri siellä, missä sitä käytetään, mikä voi parantaa luettavuutta yksinkertaisissa, paikallisissa operaatioissa. `Overloaded`-apurakenne visitorien luomiseksi lambdajoukosta on yleinen ja tehokas idiomi, joka pitää visitorien määrittelyt siisteinä.

Mahdolliset kompromissit ja huomiot

Mikään malli ei ole hopealuoti. On tärkeää ymmärtää siihen liittyvät kompromissit.

Alkuasetusten monimutkaisuus

`Node`-rakenteen alkuasetukset `std::variant`:in ja geneerisen `TreeWalker`-rakenteen kanssa voivat tuntua monimutkaisemmilta kuin suoraviivainen rekursiivinen funktiokutsu. Tämä malli tarjoaa eniten hyötyä järjestelmissä, joissa puurakenne on vakaa, mutta operaatioiden määrän odotetaan kasvavan ajan myötä. Hyvin yksinkertaisiin, kertaluonteisiin puunkäsittelytehtäviin se saattaa olla ylimitoitettu.

Suorituskyky

Tämän mallin suorituskyky C++:ssa `std::visit`-toiminnolla on erinomainen. Kääntäjät toteuttavat `std::visit`-toiminnon tyypillisesti erittäin optimoidulla hyppytaulukolla, mikä tekee välityksestä äärimmäisen nopean – usein nopeamman kuin virtuaalifunktiokutsut. Muissa kielissä, jotka saattavat turvautua reflektioon tai sanakirjapohjaisiin tyyppihakuihin saavuttaakseen vastaavan geneerisen käyttäytymisen, voi olla huomattava suorituskykyhaitta verrattuna klassiseen, staattisesti välitettyyn visitoriin.

Kieliriippuvuus

Tämän nimenomaisen toteutuksen eleganssi ja tehokkuus ovat vahvasti riippuvaisia C++17-ominaisuuksista. Vaikka periaatteet ovat siirrettävissä, toteutuksen yksityiskohdat muissa kielissä eroavat. Esimerkiksi Javassa voitaisiin käyttää sinetöityä rajapintaa ja hahmontunnistusta (pattern matching) moderneissa versioissa, tai vanhemmissa versioissa sanakirjapohjaista (map-based) välittäjää, joka on laajempi.

Tosielämän sovellukset ja käyttötapaukset

Geneerinen Visitor-suunnittelumalli puun läpikäyntiä varten ei ole vain akateeminen harjoitus; se on monien monimutkaisten ohjelmistojärjestelmien selkäranka.

• Kääntäjät ja tulkit: Tämä on kanoninen käyttötapaus. Abstrakti syntaksipuu (AST) käydään läpi useita kertoja eri "visitoreilla" tai "vaiheilla". Semanttinen analyysivaihe tarkistaa tyyppivirheet, optimointivaihe kirjoittaa puun uudelleen tehokkaammaksi ja koodin generointivaihe käy läpi lopullisen puun tuottaakseen konekoodia tai tavukoodia. Jokainen vaihe on erillinen operaatio samalle tietorakenteelle.
• Staattiset analyysityökalut: Työkalut, kuten linterit, koodin muotoilijat ja tietoturvaskannerit, jäsentävät koodin AST:ksi ja ajavat sitten erilaisia visitoreita sen yli löytääkseen malleja, valvoakseen tyylisääntöjä tai havaitakseen mahdollisia haavoittuvuuksia.
• Dokumenttien käsittely (DOM): Kun käsittelet XML- tai HTML-dokumenttia, työskentelet puun kanssa. Geneeristä visitoria voidaan käyttää kaikkien linkkien poimimiseen, kaikkien kuvien muuntamiseen tai dokumentin sarjoistamiseen eri muotoon.
• Käyttöliittymäkehykset: Nykyaikaiset käyttöliittymäkehykset esittävät käyttöliittymän komponenttipuuna. Tämän puun läpikäynti on välttämätöntä renderöintiä, tilapäivitysten levittämistä (kuten Reactin täsmäytysalgoritmissa) tai tapahtumien välittämistä varten.
• Näkymäkuvaajat 3D-grafiikassa: 3D-näkymä esitetään usein objektien hierarkiana. Läpikäyntiä tarvitaan muunnosten soveltamiseen, fysiikkasimulaatioiden suorittamiseen ja objektien lähettämiseen renderöintiputkeen. Geneerinen walker voisi soveltaa renderöintioperaatiota ja sitten käyttää sitä uudelleen fysiikkapäivitysoperaation soveltamiseen.

Johtopäätös: Uusi abstraktion taso

Geneerinen Visitor-suunnittelumalli, erityisesti kun se on toteutettu erillisellä `TreeWalker`-rakenteella, edustaa voimakasta evoluutiota ohjelmistosuunnittelussa. Se ottaa Visitor-mallin alkuperäisen lupauksen – datan ja operaatioiden erottamisen – ja nostaa sen uudelle tasolle erottamalla myös monimutkaisen läpikäyntilogiikan.

Pilkomalla ongelman kolmeen erilliseen, ortogonaaliseen komponenttiin – data, läpikäynti ja operaatio – rakennamme järjestelmiä, jotka ovat modulaarisempia, ylläpidettävämpiä ja vankempia. Kyky lisätä uusia operaatioita muuttamatta ydintietorakenteita tai läpikäyntikoodia on valtava voitto ohjelmistoarkkitehtuurille. `TreeWalker`-rakenteesta tulee uudelleenkäytettävä resurssi, joka voi pyörittää kymmeniä ominaisuuksia, varmistaen, että läpikäyntilogiikka on johdonmukainen ja oikea kaikkialla, missä sitä käytetään.

Vaikka se vaatii alkuinvestoinnin ymmärrykseen ja asetuksiin, geneerinen puun läpikäynnin visitor-malli maksaa itsensä takaisin projektin elinkaaren aikana. Jokaiselle kehittäjälle, joka työskentelee monimutkaisen hierarkkisen datan parissa, se on välttämätön työkalu siistin, joustavan ja kestävän koodin kirjoittamiseen.